История моды различных эпох HighFashion.ru/style/story засидка на вяхиря купить, vk.
Физика примеры решения задач Электротехника Задачи и лабораторные работы Математика примеры решения задач Вычислить интеграл Информатика Компьютерные сети Компьютерная математика
Исследование полевых транзисторов Исследование биполярных транзисторов Полупроводниковые выпрямители Электронный усилитель на транзисторах Лабораторная работа Исследование стабилитронов Исследование варикапов

Методические указания лабораторные работы по электронике

Лабораторная работа

Полупроводниковые выпрямители

Цель работы

1. Ознакомиться со схемами и принципами действия однофазных однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей.

2. Снять характеристики мостового двухполупериодного выпрямителя без фильтра и с использованием фильтров различного типа.

Общие сведения

Электрическая энергия подается к потребителям в виде трехфазного или однофазного переменного тока. Однако для питания различных электронных приборов, автоматических устройств, а также для электрифицированного транспорта используется постоянный ток, который получают выпрямлением переменного тока. С этой целью чаще всего используются полупроводниковые выпрямители. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное напряжение (одной полярности).

Их основу составляют полупроводниковые диоды (вентили) (обозначение на схемах рис.1а), пропускающие ток только в одном направлении – когда потенциал анода А положительнее потенциала катода К.

 


 а)

 

 б)

Рис.1 Блок-схема и осциллограммы напряжения на входе/выходе отдельных блоков двухполупериодного полупроводникового выпрямителя

3

В состав выпрямителя рис.1б обычно входит трансформатор Тр, обеспечивающий заданную величину напряжения, вентильная группа ВГ, состоящая из одного или нескольких диодов, сглаживающий фильтр СФ и стабилизатор напряжения СН. Выпрямители могут применяться и без фильтра и без стабилизатора напряжения.

Вентильная группа ВГ осуществляет непосредственное выпрямление переменного тока, сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения, а стабилизатор напряжения СН поддерживает величину этого напряжения неизменной, независимо от тока нагрузки.

В простейшем случае вентильная группа состоит из одного диода, при этом достигается однополупериодное выпрямление (см., например, верхняя ветвь выпрямителя на рис.3, осциллограмма – рис.4б). Достоинством этого выпрямителя является его простота (используется один диод), однако существенный недостаток такого выпрямителя ограничивающий его применение – большой коэффициент пульсации р = 1, 57.

Коэффициент пульсации определяется как: ,

где Um – максимальное (амплитудное) значение переменной составляющей выпрямленного напряжения;

UН.СР. - среднее значение выпрямленного напряжения за один период (для однополупериодного выпрямления равно 0,45).

 Большое применение нашли двухполупериодные выпрямители на базе двух схем: мостовой (рис.2) и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.3).

Рис. 2 Схема мостового выпрямителя

Мостовой выпрямитель состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме, где нагрузка RН включена в диагональ моста. Каждая пара диодов VD1,VD3 и VD2, VD4 работает попеременно в зависимости от знака напряжения на вторичной обмотке U2 в тот или иной полупериод переменного напряжения.

4

Например, при положительном полупериоде сетевого напряжения (на верхнем выводе трансформатора «+») ток проходит по цепи: верхний вывод вторичной обмотки трансформатора а – диод VD1 – нагрузка – диод VD3 – нижний вывод вторичной обмотки b – обмотка (на схеме стрелками указано направление в данный полупериод).

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения (на нижнем выводе трансформатора «+») ток проходит через нагрузку в том же направлении, но через диоды VD4, VD2.

В выпрямителе со средней точкой (рис.3), в отличие от мостовой схемы, выпрямление в каждый из полупериодов осуществляется одним из диодов – VD1 или VD2. Каждый из диодов работает совместно с частью вторичной обмотки трансформатора (VD1 – c верхней, VD2 – c нижней), например, когда точка а имеет положительный потенциал ток потечет по цепи: точка а – диод VD1 – сопротивление нагрузки RН – средний вывод обмотки – обмотка, когда направление тока изменится – по цепи: точка b – диод VD2 – сопротивление нагрузки RН – средний вывод обмотки – обмотка.

Каждую из ветвей можно рассматривать как однополупериодный выпрямитель.

Напряжение и ток сохраняют свое направление на нагрузке в течение всего периода. Закрашенными стрелками на схеме указано направление тока для положительного полупериода, незакрашенными – для отрицательного.

Осциллограммы в различных точках показаны на рис. 4.

Как видно из диаграмм, в двухполупериодных выпрямителях достигается выпрямление в обе половины периода, тогда как в однополупериодном работа выпрямителя осуществляется только в течение одного полупериода.

Ток первичной обмотки

 

 а)

Коэффициент пульсации у двухполупериодного выпрямителя заметно ниже, чем у однополупериодном (р = 0,67).

Стабилитрон


Стабилитроном называется полупроводниковый диод, имеющий на обратной ветви ВАХ участок на котором значительному изменению тока, протекающему через диод, соответствует достаточно малое изменение напряжения на нем (рис. 2.4 а). ВАХ стабилитрона и его условное обозначение на принципиальных схемах показаны на рис. 2.4 а, б. В основе работы стабилитрона лежит явление обратимого электрического пробоя, имеющего место на участке АВ обратной ветви ВАХ. Основными параметрами стабилитрона являются: номинальное значение напряжения стабилизации Ucт ном; номинальный ток стабилизации Icт ном; минимальный Icт мин и максимальный Icт макс токи стабилизации; максимально допустимая рассеиваемая мощность Pмакс.

Тиристор

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более
p-n-переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях. В закрытом (выключенном) состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток, а в открытом или включенном – сопротивление тиристора мало, и через него протекает большой ток.

Тиристоры с двумя выводами называют диодными, или динисторами, а с тремя выводами – триодными, или тринисторами.

ВАХ тринистора приведена на рис. 2.5. В зависимости от напряжения на его электродах и тока, протекающего через прибор, можно выделить несколько режимов работы тринистора.

Режим 1 (участок ВАХ 0–1) – напряжение на катоде отрицательно относительно анода, а ток мал. Этот участок соответствует закрытому состоянию.

Режим 2 (участок ВАХ 1–2) характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением и начинается в точке ВАХ, соответствующей условию  Приложенное к тиристору напряжение в этой точке называется напряжением включения Uвкл, а ток, проходящий через него, током включения Iвкл.

Управляющие характеристики (рис….) описываются формулой (1). В широком диапазоне токов эти характеристики линейны, однако при очень маленьких и очень больших токах наблюдаются отклонения от линейного закона, связанные с уменьшением величины α. Зависимость α от IЭ приведена на рис….. В обычно используемых режимах работы транзистора α≈const, однако при использовании нестандартных режимов с зависимостью α=f(IЭ) приходится считаться. При увеличении UКБ вследствие модуляции ширины базы ток IК, а значит, и наклон управляющей характеристики несколько увеличивается, однако это увеличение мало и им обычно пренебрегают.

Характеристики обратной связи (рис…..) описывают ту же функциональную зависимость UЭБ=f(IЭ, UКБ), что и входные характеристики, и отражают те же самые физические процессы. Поэтому для закрепления навыков анализа работы транзистора имеет смысл рассмотреть особенности этих характеристик самостоятельно. При этом следует обратить внимание на наклон этих характеристик к оси абсцисс и на неодинаковое расстояние между характеристиками обратной связи, снятыми при одинаковом приращении тока IЭ.

В схеме с ОЭ входным током является ток базы IБ, поэтому формула (1) неудобна для анализа и расчета электронных схем. Более удобной является формула, напрямую связывающая IК с IБ. Эту зависимость можно получить из формулы (1), если учесть, что IЭ= IК+ IБ. Тогда

откуда

Так как

то искомая формула принимает окончательный вид

 (5)

Особенности работы транзистора в схеме с ОЭ связаны с тем, что напряжение UКЭ приложено не к одному, а к двум p-n переходам, включенным последовательно (рис….).

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ, показаны на рис….. В активном усилительном режиме ток базы описывается формулой (2): IБ=(1-α)IЭ-IКБ0. Первое слагаемое этой формулы (1-α)IЭ описывает рекомбинационную компоненту тока базы (и пренебрежимо малый дырочный ток из базы в эмиттер), а вторая составляющая IКБ0 – ток обратно смещенного коллекторного перехода. Направления протекания этих токов в цепи базы являются противоположными, что легко увидеть на рис…., проследив направления движения электронов и дырок, составляющих эти токи.

При UБЭ=0 эмиттерный переход закрыт, IЭ=0 и IБ=-IКБ0. При увеличении UБЭ эмиттерный переход открывается и появляется противоположно направленная компонента базового тока, равная (1-α)IЭ. При UБЭ=UБЭ0 компоненты (1-α)IЭ и IКБ0 сравниваются и ток IБ становится равным нулю, что соответствует отключению базы от внешних цепей. Работа транзистора с отключенной базой (при IБ=0) связана с опасностью выхода транзистора из строя, поэтому технические условия для многих типов транзисторов запрещают работу транзистора в этом режиме. Более глубокий анализ физических процессов в транзисторе показывает допустимость работы с отключенной базой, но при условии уменьшения максимально допустимого напряжения UКЭ в несколько (до 4…6) раз. На практике такой режим работы оказывается типовым, например, для фототранзисторов.

При UБЭ>UБЭ0 ток IБ определяется рекомбинационной компонентой. Форма характеристики при этом оказывается экспоненциальной и подобной характеристике IЭ=f(UБЭ), так как множитель (1-α) не зависит от тока через эмиттерный переход. При больших токах базы начинает сказываться активное сопротивление базы для базового тока (r'Б) и входная характеристика становится практически линейной. (Этот эффект совершенно аналогичен влиянию сопротивления базы на характеристику полупроводникового диода). Величина r'Б является важным параметром транзистора, используемым при расчетах транзисторных устройств, особенно высокочастотных. При отсутствии сопротивления r'Б в справочнике его можно определить по входной характеристике транзистора в схеме с общим эмиттером, как показано на рис….. При этом существенно, что приращения ∆UБЭ и ∆IБ должны быть измерены на линейном участке входной характеристики. При изменении UКЭ на входную характеристику оказывает влияние модуляция ширины базы. С увеличением UКЭ коллекторный переход расширяется, база сужается, вероятность рекомбинации электронов снижается, и ток базы уменьшается. Соответствующая входная характеристика сдвигается вниз. Это изменение, однако, не очень велико (особенно у кремниевых транзисторов) и на практике им нередко пренебрегают.

При использовании кремниевых транзисторов следует учитывать их специфические особенности: пренебрежимо малый ток IКБ0 и заметное пороговое напряжение для тока IЭ. С учетом этих особенностей входная характеристика кремниевого транзистора в активном усилительном режиме имеет вид, показанный на рис…..

При UКЭ=0 работа транзистора коренным образом изменяется. В этом случае напряжение UБЭ оказывается подключенным в прямом направлении как к эмиттерному, так и к коллекторному переходу (рис….), оба перехода оказываются открытыми и транзистор переходит в режим глубокого насыщения. Прямой ток обоих переходов замыкается через цепь базы, так что самым большим током транзистора в этом режиме оказывается ток базы, а транзистор фактически превращается в два параллельно включенных прямо смещенных диода (рис….). По сравнению с активным усилительным режимом величина тока IБ при UКЭ=0 возрастает во много раз. В активном усилительном режиме ток базы составляет лишь небольшую часть тока эмиттера (величина (1-α) для большинства транзисторов лежит в пределах 0,05…0,005). При UКЭ=0 через базу проходит не часть, а весь ток эмиттера, к которому добавляется еще и прямой ток коллекторного перехода, величина которого еще больше, так как в реальном транзисторе площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного.

Выходные характеристики в схеме с ОЭ, снятые при постоянном токе базы, показаны на рис….. На этих характеристиках ясно видны два различных участка, соответствующих двум основным режимам работы транзистора: активному усилительному режиму и режиму насыщения. Физические процессы, протекающие в каждом из этих режимов при включении транзистора по схеме с ОЭ, такие же, как и в схеме с ОБ, однако условия перехода от одного режима к другому для схем с ОБ и ОЭ неодинаковы. В схеме с ОБ источник коллекторного питания UКБ непосредственно подключен к коллекторному переходу, поэтому для перехода от одного режима к другому требуется просто поменять знак напряжения UКБ. При UКБ>0 транзистор будет работать в активном усилительном режиме, при UКБ<0 – в режиме насыщения. В схеме с ОЭ напряжение на коллекторном переходе UКП зависит не от одного, а от двух источников питания: UКП=UКБ=UКЭ-UБЭ (см. рис….). Поэтому для работы в активном усилительном режиме, для которого UКП>0, требуется обеспечить условие UКЭ-UБЭ>0, т.е. UКЭ>UБЭ. Для перехода в режим насыщения достаточно уменьшить UКЭ до величины, меньшей UБЭ. При UБЭ>UКЭ напряжение UКП=UКБ<0.

При работе в активном усилительном режиме в схеме с ОЭ ток IК, как и в схеме с ОБ, определяется в первую очередь режимом работы входной цепи, т.е. количеством электронов, инжектированных в базу через эмиттерный переход. При увеличении напряжения UБЭ (и связанного с ним тока IБ) число электронов, проходящих в базу через эмиттерный переход, увеличивается, а так как большая часть этих электронов уходит в коллектор, то увеличивается и IК.


Методические указания к выполнению лабораторных работ по электронике